2023年浅谈输电线路覆冰故障处理技术.doc

浅谈输电线路覆冰故障处理技术 左亚鹏、柴冰、史宏伟 摘 要：在运行输电线路中，导线覆冰现象较为普遍，特别是近几年来天气气候的变化，导线覆冰的几率日趋增大。输电线路覆冰引起的故障严重地影响了电力系统的安全正常运行，给社会经济带来巨大的损失。浅谈影响覆冰的因素、形成、类型，借鉴现有的有效方法和技术，对周口地区的输电线路覆冰故障建议防范与处理的措施。 自2023年1月以来周口地区屡次遭受了50年一遇的冰雪凝冻灾害，电网因冰灾损害严重。特别是220kV川水线、薛淮线和川淮线在冰灾中多处受损，共造成导线和架空避雷线30余出损伤，187处杆塔绝缘子、金具、横担损坏等严重现象。灾情过后，也向电力企业敲响了警钟；对于天气寒冷而又多雨的中原地区来说，输电线路导线覆冰严重影响着输电线路的安全运行，覆冰也给安全生产方面带来了严重危害，并加大了输电线路运行维护的工作量，增加了企业本钱；同时也反映出输电线路抗自然灾害的能力比拟薄弱。因此有效地防止和防止冰灾对输电线路造成的危害，是电力企业必须面对的新的课题。只有多措并举，才能积极有效地防治输电线路导线覆冰带来的危害。 1 输电线路覆冰的危害 一般来讲，覆冰对电网输电线路的破坏有三种。第一种是少量的覆冰，它在导线上这种圆截面的覆冰不是均匀地包在上面，它可能形成一个椭圆或者形成其他形状，在大气当中构成了一个迎风面，当风的角度和冰的迎风面角度适宜的时候导线就会舞动。第二种情况就是闪络，结构也不破坏，但是它的绝缘失去了，一闪络，电就送不出去了。第三种也是最普遍的，由于垂直负载过重，把结构整个压垮。 2 影响输电线路覆冰的因素 2.1 影响导线覆冰的气象条件 影响输电线路导线覆冰的气象因素主要有空气温度、风速风向、空气中或云中过冷却水滴直径、空气中液态水含量。这四种因素的不同组合确定了导线导线覆冰类型。多发生在每年1、2月份，尤其在冬季和初春季节，当气温下降至-5℃～0℃，风速在3～15m/s时，如遇大雾、毛毛雨或小雨加雪，首先将在导线上形成雨凇；如此时气温升高，天气转晴，导线上的雨凇便开始融化；如天气继续转晴，那么覆冰过程终止；如天气骤然变冷或气温继续下降，冻雨和湿雪那么在粘结强度很高的雨凇冰面上迅速增长，形成密度大于0.6g/cm3的较厚的冰层；如气温继续下降至-15℃～-8℃，原有冰层外侧积覆雾凇。这种过程将导致导线外表形成雨凇——混合凇——雾凇的复合冰层。如在这种过程中天气变化出现屡次晴转冷的天气，融化再结冰增加了覆冰的密度，如此往复开展将形成雨凇和雾凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。 一般来说，最易覆冰的温度为-8℃～0℃。假设气温在-20℃～-15℃或更低时，水滴将变成冰雹或雪花而不易于形成覆冰。当有了足够的温度后，覆冰的形成还必须有较高的空气湿度，一般空气湿度到达90%以上。 在覆冰过程中，风对输电线路导线覆冰起着终于熬的作用，它将大量过冷却水滴源源不断地输向输电线路，与导线相碰撞，被导线捕获而加速覆冰。当具备了形成覆冰温度和水汽条件后，除了风速的大小对覆冰有影响外，风向也是决定导线覆冰轻重的重要参数之一。风向与导线平行时，或当与导线之间的夹角小于45°或大于150°时，覆冰较轻；风向与输电线路垂直或风与导线之间的夹角小于45°或大于150°时，覆冰那么比拟严重。但在覆冰形成过程中，风向不是固定不变的，总有一些时间风与输电线路导线有一定夹角。 2.2 地形及地理条件的影响 输电线路导线覆冰的轻重还取决于山脉走向、坡向与分水岭、台地、风口、江湖水体等因素。在冬季或初春时节，在高空受西南温湿气候和东北寒冷气候的交替影响，黄淮地区长期持续的低温、雨雪、冰冻极端天气给河南、湖南、安徽等省〔市、区〕的生产生活带来了严重影响，电力输电线路覆冰严重。周口位于黄淮地区中东部豫东平原，河南省东南部，东临安徽阜阳；西接漯河、许昌；南与驻马店相连；北与开封、商丘接壤。地势平坦，农田肥沃辽阔，农田灌溉水利建设兴旺，河流河网错综复杂、密布，空气湿度较大。其中220kV川水线、川淮线路东西走向，地势平坦开阔，屡次跨越河流，空气中水汽充足，局部线路杆塔处在两村庄或河堤河道内形成风口等微气候地段，在输电线路覆冰观测中输电线路导线覆冰直径20mm左右,覆冰面积大、范围广。 2.3 走向及悬挂高度对覆冰的影响 输电线路导线覆冰与线路走向有关，东西走向的线路导线覆冰普遍较南北走向的线路导线覆冰严重。冬季覆冰天气大多为北风或西北风，输电线路导线为南北走向时，风向与导线轴线根本平行，单位时间与单位面积内输送到输电线路导线上的雾粒叫东西走向的线路导线少得多。输电线路导线为东西走向时，风与导线约成90°的夹角，从而使导线覆冰最为严重。输电线路导线覆冰与风向几乎成正弦关系。而且输电线路导线为东西走向在覆冰后，由于不均匀覆冰的影响，导线覆冰可能会诱发覆冰舞动。在条件相同的地区，一般海拔高程愈高，愈易发生覆冰，覆冰厚度越厚，且多为雾凇；海拔高程较低处，其冰厚虽较薄，但多为雨凇或混合冻结。周口地区的输电线路大多为东西走向，导线悬挂高度平均在23m左右，又处于密布的河网河道内，输电线路受覆冰的几率较大，也比拟严重，线路一旦覆冰多为雨凇或混合冻结。输电线路导线悬挂高度越高，覆冰越严重，这是因为空气中液水含量随高度的增加而升高。风速越大、液水含量越高，单位时间内向导线输送的水滴越多，覆冰也越严重。因此，覆冰随导线悬挂高度的升高而增加。 2.4 导线直径与覆冰厚度和扭转对覆冰的影响 当风速在3～8m/s时，导线直径越大，其相对导线单位长度覆冰量越重；当风速大于8m/s时，对于任何直径的导线，导线直径越大其覆冰量越重，但覆冰的厚度是随导线直径的增加而减小。覆冰在迎风面上生长，到达一定厚度时产生扭转力矩。导线扭转加速覆冰增长。这是因为导线覆冰时形状往往很不规那么〔有扇形、椭圆形、新月形、圆形等〕导线承受偏心荷重，由于其扭转角度与L2/Φ4 (L为线路档距,Φ为导线直径)成比例，而L＞Φ,故导线易发生扭转，这就便于在导线的各个侧面上进一步积冰。档距中央线段的扭转程度要比悬挂点线夹处附近大，随风运动的过冷却水滴得以均匀地积聚到扭转导线的整个外表，而不像固定不扭转的线段那样覆冰主要积聚在迎风面一侧，，比照之下，悬挂点线夹附近导线与气流平行的长径增长得快，与气流正交的短径增长的慢，迎风面积增加不多，冰重增长较慢，而档距中央长径、短径增长比拟均匀，与气流正交的迎风面积增加较多，冰重增长较快，质量较大。 3 输电线路覆冰的原因和种类 输电线路导线覆冰首先是由气象条件决定的，是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风等因素决定的综合物理现象。云中或雾中的水滴在0℃或更低时与输电线路导线外表碰撞并冻结时，覆冰现象就产生了。周口地区河流错综交杂，空气潮湿湿润，受西伯利亚寒流和太平洋暖湿气流的共同影响，2023年初周口大面积的遭受了覆冰危害。导线外表发生覆冰现象必须满足以下几个条件：大气中必须有足够的过冷却水滴，过冷却水滴与导线接触，过冷却水滴立即冻结在导线外表。 覆冰按形成条件及性质可分为A、B、C、D、E五种类型。 A型称雨凇覆冰，是在冻雨期发生于低海拔地区的覆冰，持续时间一般较短，环境温度接近冰点，风相当大，积冰透明，在导线上的粘合力很强，冰的密度很高，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初级阶段，由于冻雨持续期一般较短，因此，导线覆冰为纯粹的雨凇覆冰的情况相对较少。 B型称混合凇，当温度在冰点以下，风比拟猛时，那么形成混合凇。在混合凇覆冰条件下，水滴冻结比拟弱，积冰有时透明，有时不透明，冰在导线上粘合力很强。导线长期暴露于湿气中，便形成混合凇。混合凇是一个复合覆冰过程，密度较高，生长速度快，对导线危害特别严重。 C型称软雾凇，是由于山区低层云中含有的过冷水滴，在极低温度与风速较小情况下形成的。这种积冰呈白色、不透明、晶状结构、密度小，在导线上附着力相当弱。最初的结冰是单向的，由于导线机械失衡，逐渐围绕导线均匀分布，在此情况下，这种冰对导线一般不构成威胁。 D型和E型分别为白霜、雪，白霜是空气中湿气与0℃以下的物体接触时，湿气往冷物体外表凝合形成的，白霜在导线上的粘结力十分微弱，即使是轻轻地振动，也可以使白霜脱离所粘结导线的外表，与其他类型覆冰相比，白霜根本不对导线构成严重危害。 空气中的干雪或冰晶很难粘结到导线外表。只有当空气中的雪为“湿雪〞时，导线才会出现积雪现象。当有强风时，雪片易被风吹落，导线覆雪不可能发生，故导线覆雪受风速制约，因此平原地区或低地势无风地区，导线覆雪现象较山区常见。 输电线路导线覆冰的根本物理过程是严冬或初春季节，当气温下降至-5～0℃，风速为3～15m/s时，如遇大雾或毛毛雨，首先将在导线上形成雨凇，这时如果气温再升高，雨凇那么开始融化，如天气继续转晴，那么覆冰过程就停止；这时如果天气骤然变冷，出现雨雪天气，冻雨和雪那么在粘结强度较高的雨凇面上迅速增长，形成较厚的冰层；如温度继续下降至-15～-8℃，原有冰层外那么积覆雾凇。在这样一个过程中，出现屡次晴～冷变化天气，短暂的融化加强了冰的密度，如此往复开展将形成雾凇和雨凇交替重叠的混合冻结物，即混合凇。 4 输电线路危害的特点 4.1 输电线路覆冰倒塔〔断线〕的特点 输电线路覆冰倒杆〔塔〕断线的特点：一是由于覆冰时杆〔塔〕两侧的张力不平衡造成的。在一些地形起伏较大的地区，两相邻的杆〔塔〕在高度和距离上存在很大的差距，在还未覆冰时两侧就形成了较大的不平衡张力，当输电线路上出现大密度的覆冰时，杆〔塔〕两侧的不平衡张力加剧，当张力不断加大，直至到达杆〔塔〕、导线所能承受的极限时，就出现了导线断落或杆〔塔〕倒塌的现象。因此，在灾后恢复和未来的设计改造中，应尽量防止大高度差、大距离和大转角。二是线路上有大密度的雨凇覆冰时，因为雨凇覆冰是“湿〞度增长过程，其粘附能力强，不易掉落。在风的鼓励下，导线会产生大振幅、低频率的自激振动。当舞动的时间过长时，会使导线、绝缘子、金具、杆〔塔〕受不平衡冲击疲劳损伤。 输电线路架空避雷线覆冰图片 输电线路杆塔横担覆冰图片 4.2 覆冰绝缘子串的闪络特性 绝缘子的冰闪是冰害的另一种，当绝缘子发生覆冰现象后，在特定温度下使绝缘子外表覆冰或被冰凌桥接后，绝缘强度下降，泄漏距离缩短。在融冰过程中冰体外表或冰晶体外表的水膜会很快溶解污秽物中的电解质，并提高融冰水或冰面水膜的导电率，引起绝缘子串电压分布的畸变〔而且还会引起单片绝缘子外表电压分布的畸变〕，从而降低覆冰绝缘子串的闪络电压。大气中的污秽微粒直接沉降在绝缘子外表或作为凝聚核包含在雾中，将会使绝缘子覆冰融化时，冰水电导率进一步增加。另外有关试验数据说明，覆冰越重、电压分布畸变越大，绝缘子串两端，特别是高压引线端绝缘子承受电压百分数越高，最终造成冰闪事故。 实际上，纯冰的电阻很高，完全可以满足电力系统安全运行的要求，只有当冰中混杂有导电杂质后，覆冰绝缘子的闪络电压才会降低。这不仅因为冰闪是由于冰中含有污秽等导电杂质造成的，而且从污秽绝缘子和覆冰绝缘子的耐受电压和闪络机理也可发现其相似性。图1为覆冰绝缘子交流耐受电压和污秽绝缘子交流耐受电压的比拟。 图1 覆冰绝缘子与污秽绝缘子交流耐受电压的比拟 从图1中曲线可知，除了两者耐受电压的数值有差异外，覆冰绝缘子与污秽绝缘子的耐受电压随等值附盐密度的变化趋势根本一致。 输电线路铁塔瓷质绝缘子覆冰情况图片 输电线路铁塔复合绝缘子覆冰情况图片 5 输电线路防冰除冰技术 5.1 输电线路热力防冰技术 输电线路导线覆冰严重威胁着电力线路和电力通讯网络的安全可靠运行。防止输电线路导线覆冰事故发生的方法从原理上可分为防冰和除冰两种。防线路导线覆冰方法是在覆冰物体前采取各种有效技术措施，使各种形式的覆冰物体上无法积覆，或即使积覆其总的覆冰荷载也能控制在物体可承受的范围内；除冰的方法是物体覆冰到达危险状态后采取有效措施，局部或全部除去